海洋技术▏海底管线探测数据处理及自动化研究

亢保军等溪流之海洋人生 2021-10-08

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海底管线的空间分布特征及其埋藏状态是海底管线探测工作研究的重点。如何快速、高效地对侧扫声呐系统、海洋磁力仪、管线地层剖面仪及浅水高精度多波束系统等海洋测量设备获取的原始数据进行精准处理及图像解译，生成海底管线的平面位置图、埋藏状态统计表、埋深信息表及埋设状况图等探测成果，并分析海底管线安全隐患的位置及提出合理的治理建议一直是业界关注的焦点。

一、综合取舍绘制“管线平面位置图”

⒈侧扫声呐系统原始数据处理

侧扫声呐探测时，可形成包含海底地貌及地形起伏变化信息的影像，当出露的管段进入侧扫声呐探测范围时，出露管段同时也被记录在扫测图谱里，如图1 所示。侧扫声呐是以图像形态测绘水下地貌特征的仪器。声学记录图像中记录了海底反射信号的特征和位置。利用Sonar Wiz.CMAX软件可以判读出调查区的裸露海底管段分布特征，并且可以完成斜距校正工作，通过人机交互的方式进行特征数字化，绘制裸露管段的位置，导出数据后使用Auto CAD软件绘制成图。

图1 声呐图中的出露管段

⒉磁法探测原始数据处理

⑴原始数据格式

Marine Magnetics公司的Sea SPY海洋磁力仪通过随机数据采集软件Sea Link对原始数据进行采集，最终生成“*.XYZ”格式数据文件，文件中的第1 列数据采集日期，第2 列UTC 时间，第3列磁场值，第5 列WGS-84椭球经度及第6 列WGS-84椭球纬度是我们关注的内容。

⑵数据处理思路

根据布尔莎七参数转换原理进行椭球转换，将WGS-84 大地经纬度转换为当地椭球的大地经纬度，然后再按指定的中央子午线进行高斯投影转换成当地坐标系统。

由于海底管线探测只关注瞬间的、局部的磁场突变量，故可不进行日变、正常场及船磁等改正。需要对磁场值进行二次处理。数据处理程序界面如图2。

图2 海洋磁力数据处理程序界面

⑶磁场异常图像解译

经“海洋磁力数据处理程序”处理后，形成“*.Pro”格式的数据文件，文件中第2、3列为当地坐标系的坐标信息，第5列为“磁场异常值”。将该文件导入Excel，绘制磁场异常曲线图，解译磁场异常曲线图，找出磁场突变位置，如图3所示。逐个取出磁场突变点，形成磁场异常文件。

图3 磁场异常曲线

⑷绘制管线平面位置图

将磁场异常文件通过我公司自主开发的《港口测量CAD系统》展绘到Auto CAD中，结合侧扫声呐图像顺次连接磁场异常点，生成管线平面位置图。

⒊管线仪探测图像解译及数据转换

首先将 T14K管线仪采集的原始数据在随机软件Geo Pro中进行图像解译，标定位置及埋深信息后导出数据。将导出的WGS-84坐标的管线位置点文件通过自行编制的坐标转换程序进行转换（如图4所示），生成当地坐标的管线位置点文件，再将该文件展绘到Auto CAD中，结合侧扫声呐数据绘制管线平面位置，如图5所示。

图4 管线仪坐标转换程序界面

图5 管线仪探测管线平面位置

⒋电子多波束系统探测数据的处理

使用 Caris Hips 6.1多波束处理软件将R2 Sonic2024浅水高精度多波束系统采集的原始数据进行处理生成面文件，然后解译面文件判断海底管线的分布情况（如图6所示）。可在该软件中直接读出管线各位置的当地坐标，再结合“子区”模式精确确定管顶的悬空情况。将包含管线位置及埋深信息的数据形成文件，展绘到Auto CAD中，根据其连接信息可直接连线，生成海底管线平面位置，如图7所示。

图6 多波束处理软件的图像解译

图7 解译Caris图像后生成的管线平面位置

⒌综合取舍绘制管线平面位置图

由于磁法探测采取 2～3倍水深长度的“尾拖”模式探测，故其定位精度偏低，且其测点为不连续的可疑点，故绘图时尚需参考侧扫声呐或管线仪等探测资料；由于侧扫声呐采用“侧拖”模式探测，故其定位精度不高，但其定位精度大大优于磁法探测；管线仪不仅可以较准确的探测出管线的平面位置，还可以探测出管线的埋藏状态及深度；R2 Sonic2024 浅水高精度多波束系统可以精确测定裸露管线的位置及其埋深数据，在定位及埋深上均优于管线仪，由于多波束测量是全覆盖测量，故可获取裸露海底管线任何位置的坐标及埋深数据。可根据以上优先顺序，对各种探测方法探测的数据进行综合取舍，绘制最终的管线平面位置，如图8所示。

图8 综合取舍后的管线平面位置

二、自动生成“管线埋设状况一览表”

⒈设计思路

程序界面如图 9所示，在管线平面位置图的绘制中可约定：埋藏管段用虚线表示，全局宽度设置为0；裸露管段用实线表示，全局宽度设置为1；悬空管段用实线表示，全局宽度设置为2。程序统计时，按管线起止顺序连续点击选择各管段，确定选择结束后，程序便可统计出各管段的长度并根据全局宽度的差别获取其埋设状态，再利用OLE技术控制Excel，自动绘制统计表格。

图9 海底管线信息统计程序界面

⒉程序实现

在 Auto CAD VBA中，利用选择集进行对象选择。将选择得到的各个多段线对象，通过其Length方法可得到对应的管线段长度，再根据其Constant Width属性可判断海底管线段的埋藏状态。将所有多段线对象的长度求和，并按埋藏状态进行统计，最终可得到管线的总长及各埋藏状态管线段所占的比例。

三、自动生成“管线埋深信息表”

⒈设计思路

程序界面如图 10所示。程序在统计时，按管线起止顺序连续点击选择各埋深点，确定选择结束后，程序便可将各埋深点的坐标及埋深值提取出来，再根据管线的直径可计算管线的悬空值。利用OLE技术控制Excel，自动绘制表格。

图10 “管线埋深信息表”自动生成界面

⒉程序实现

在 Auto CAD VBA中，利用选择集将选择得到的各个文本对象通过其insertion Point 属性及展点原则计算埋深点坐标位置，再根据文本对象的color属性是否为“ac White”及Text String属性值综合判断管线埋深点的管顶埋深值，并结合管线的直径计算管线相应位置是否悬空及悬空值的大小。

四、自动生成“管线埋设状况图”

⒈管线埋深数据格式

在绘制“管线埋深信息表”的同时，程序还生成了“管线埋深信息表.txt”文件，该文件中包含了管线点的坐标值及埋深信息。

⒉提取埋深点最近水深

“提取埋深点最近水深”程序界面，如图11所示。该程序是将“管线埋深信息表.txt”文件中的埋深点，在“管线路由2m间隔水深文件”中查找最近点的水深值（即管线在该位置处的海底高程值），然后再根据管线在该处的埋设状态计算管顶高程，并生成用于绘制“管线埋设状况图”的“管线埋深信息表.prf”文件。

图11 “提取埋深点最近水深”程序界面

⒊自动绘制“管线埋设状况图”

⑴设计思路

程序界面如图 12所示，该程序将“管线埋深信息表.prf”文件中对应埋深点位置处的海底高程及该处的管顶高程展绘在Auto CAD中，然后将相邻点自动连线，形成海底面及管顶面两条线条（蓝色粗线表示管顶面，红色细线表示海底面），然后将图框、标题、纵（横）比例尺、网格、起始点及结束点等信息绘制出来，形成最终的“管线埋设状况图”，如图13 所示。

图12 “管线埋设状况图”自动绘制程序界面

图13 自动生成的“管线埋设状况图”

⑵程序实现

在 Auto CAD VBA中，首先定义管线节点类型“Pipe Pt”用于存储埋深点数据，然后将数据读入程序，并存放于管线节点类型“Pipe Pt”中。再根据纵横比例尺按照一定的规则将埋深点坐标数据转换为剖面数据，程序自动连接埋深点形成管顶线，以同样的方法形成海底线。

五、使用Caris Hips 辅助海底管线隐患分析

使用 Caris Hips 6.1多波束数据处理软件，对R2 Sonic 2024 浅水高精度多波束系统采集的数据进行处理，并以面文件及“子区”管线剖面模式相结合进行分析，得到直观的管线平面位置、海底或平台的效果图及管线的纵横剖面图，可快速找出海底管线的安全隐患位置，提出合理的治理建议。以下以“XXX D-XXX A”输油管线为例进行分析。

⒈海底管线安全隐患分析

根据本次探测资料显示，该管线出现2段悬空段。第一段位于距离管线起始点“0～80.3m”范围，长80.3m；第二段位于距离管线起始点“638.3～657.5m”范围，长19.2m。最大悬高为2.0m，出现在距第一段起始点27.6m 位置处，该处为管线架所在位置，见图14、图15。

图14 管线架位置海底管线平面

图15 管线架位置海底管线纵剖面

⒉相关建议

根据本次调查资料显示：该管线大部分处于埋藏状态，但在平台近端管线出露现象明显，表明由于平台的修建使区域流场发生变化，平台近端处于冲蚀状态，并会继续加剧管线的出露程度。在“XXX D”平台近端及管线架附近该输油管线处于悬空较高状态，应采取相应的防护治理措施，同时加大管线复勘密度，及时了解管线状态。

六、结语

通过相关研究，介绍了针对各种海洋测量设备采集的海底管线探测数据的处理方法，并开发出了多个数据处理及图形处理程序，较好地解决了海底管线探测生产过程中遇到的实际问题，实现了数据处理的自动化。可为海底管线的维护提供详实的数据，从而指导海底管线安全隐患的定期治理。提出的海底管线探测数据处理方法及编程实现思路，可为相关领域的科研及生产提供借鉴。

【作者简介】本文作者/亢保军孔改红孙立东，来自中交第一航务工程勘察设计院有限公司；第一作者亢保军，1980年出生，男，高级工程师、注册测绘师，主要从事水运工程勘测相关的软件研发及应用研究工作；本文来自《港工技术》（2018年4期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。